Autotrophie et photosynthèse

Autotrophie / hétérotrophie pour le carbone

I.  Définition de l’autotrophie pour le carbone

 

Un organisme autotrophe est un organisme chlorophyllien (pourvu d’un pigment vert, la chlorophylle) capable de produire, fabriquer, synthétiser sa propre matière organique. Une matière organique est une matière combustible pourvue d’un atome de carbone lié à au moins un atome d’hydrogène. Exemple : les sucres (glucose, saccharose, amidon).

Un organisme autotrophe est capable de synthétiser sa propre matière organique à partir de briques constitutives : des molécules minérales, non combustibles. Parmi ces molécules minérales, il y a l’eau (H2O) et le dioxyde de carbone (CO2). Fabriquer du glucose (de la matière organique) à partir d’eau et de dioxyde de carbone, nécessite de l’énergie lumineuse (E=hW).

 

II. Fonctionnement de l’autotrophie pour le carbone

 

À l’échelle cellulaire, au niveau des feuilles et de la tige, on trouve des organites de couleur verte, les chloroplastes chargés d’un pigment (la chlorophylle) et capables de capter l’énergie lumineuse. Par le biais d’une suite de réactions d’oxydoréduction, il y a synthèse de glucose qui peut être polymérisé sous forme d’amidon en captant de l’eau et du CO2 .

L’eau provient essentiellement du sol, absorbée par les racines, remontée par la sève et dirigée vers les parties chlorophylliennes. Le CO2 est absorbé directement au niveau des feuilles (CO2 atmosphérique).

Grâce à l’énergie lumineuse captée par la feuille, il  y a donc synthèse de molécules organiques avec l’apport de molécules minérales. On obtient alors la libération de dioxygène grâce à la photosynthèse, métabolisme qui permet la synthèse de glucose mais qui est aussi intéressant pour des organismes hétérotrophes car il y a production d’O2.

Seules les parties aériennes sont vertes : seules les parties aériennes sont autotrophes au carbone. Les racines ne sont pas vertes : elles ne sont pas dotées de chloroplastes et sont donc incapables de réaliser la photosynthèse. Mais elles bénéficient du glucose produit au niveau des feuilles, sous forme de saccharose qui descend par le biais de la sève et vient alimenter les autres parties de la plante qui ne sont pas autotrophes au carbone. A l’échelle de l’organisme, la plante est autotrophe au carbone dans son intégralité.

 

III. Définition de l’hétérotrophie pour le carbone

 

Un organisme hétérotrophe n’a pas la possibilité de fabriquer lui-même sa propre matière organique. Un hétérotrophe au carbone va nécessairement consommer la matière organique. Exemple : un consommateur primaire, le chrysomèle du haricot, va consommer les feuilles, essentiellement le glucose. Cet organisme est donc qualifié d’hétérotrophe au carbone car il consomme de la matière organique.

Quel est l’intérêt de consommer du glucose ?

Par le biais d’un autre type de métabolisme appelé respiration, le glucose est consommé pendant la consommation de l’O2 et libère de l’énergie. Cette énergie est utilisée pour diviser les cellules, fabriquer des protéines, etc.

Voies métaboliques et équipement intracellulaire

Le métabolisme est un ensemble de transformations chimiques qui ont lieu au sein d’une cellule. On se place à l’échelle cellulaire, dans le cytoplasme de la cellule.

On parle d’équipement intracellulaire car ces transformations chimiques ont lieu, entre autres, à l’intérieur de deux organites intracytoplasmiques majeurs :

– le chloroplaste vert (doté de pigments chlorophylliens de couleur verte),

– la mitochondrie (qui n’a pas de couleur et qu’arbitrairement on représente en rouge). 

Au sein de ces deux organites, il y a une interconnexion des voies métaboliques.

 

 

I. La photosynthèse

 

De jour, l’énergie lumineuse reçue à l’échelle de l’organite chlorophyllien permet de réaliser la photosynthèse. « Photosynthèse » : utiliser l’énergie lumineuse (« photo » ) pour fabriquer (« synthèse ») des molécules organiques.

 

Équation bilan simplifiée de la photosynthèse : 6 H2O+ 6 CO2 -> C6H12O6 + 6O2

 

Les molécules minérales H2O et CO2 sont assimilées grâce à l’énergie lumineuse pour fabriquer du glucose C6H12O6 (molécule organique) et un déchet, qui est le dioxygène O2.

Ce métabolisme photosynthétique (ensemble de transformations chimiques) qui aboutit à la synthèse de matière organique a lieu uniquement s’il y a de l’énergie lumineuse, autrement dit, en plein jour, au sein d’un organite : le chloroplaste. On fait entrer de l’eau (H2O) et du dioxyde de carbone (CO2) au sein de cet organite chlorophyllien et il en ressort des sucres (glucose) qui peuvent être soit stockés sous forme d’amidon, soit être exportés. On obtient aussi du dioxygène grâce à ce métabolisme photosynthétique.

 

II. La respiration

 

À l’issue de ce métabolisme photosynthétique, à l’échelle de la cellule chlorophyllienne, il y a utilisation de ces produits. Le glucose est utilisé au sein de la mitochondrie pour produire de l’énergie. C’est un autre métabolisme (on ne parle plus de photosynthèse mais de la respiration) : on fait entrer du glucose dans la mitochondrie, qui va être oxydé, transformé, avec intervention de la molécule d’O2 (on remarque qu’elle avait été produite par la photosynthèse ce qui montre l’interconnexion entre les voies métaboliques). Cet O2 permet l’oxydation de la molécule organique et libère un déchet qui est le CO2 (qui n’est pas un déchet pour la photosynthèse mais qui en est un pour la pour le métabolisme respiratoire).

 

Équation bilan simplifiée de la respiration : 6 O2+ C6H12O6 -> 6 CO2 + 6 H2O

 

Le métabolisme de la respiration c’est utiliser du dioxygène (O2) et une molécule organique (glucose) puis c’est libérer du dioxyde de carbone (CO2) et de l’eau (H2O), et surtout produire de l’énergie.

 

III. Comparaison entre les deux voies métaboliques

 

– Dans la photosynthèse, l’énergie lumineuse est utilisée pour assimiler du carbone minéral en carbone organique (glucose).

– Dans la respiration, le glucose (carbone organique) est utilisé pour libérer de l’énergie, en l’oxydant grâce au dioxygène atmosphérique et des « déchets » sont produits (CO2 et H2O).

 

A l’échelle de la cellule chlorophyllienne, il y a une interconnexion des voies entre la voie photosynthétique qui produit des molécules organiques et du dioxygène, et la voie mitochondriale qui, par le biais de la respiration, produit beaucoup d’énergie. Celle-ci va servir à tous les travaux cellulaires.

Le jour, il y a une forte production de sucres donc possibilité de stockage à l’intérieur du chloroplaste mais il y a également exportation de ce sucre sous forme de saccharose (molécule neutre qui ne réagit pas et est véhiculée par la sève). Ce sucre vient alimenter les autres organes de la plante non chlorophylliens comme les racines, qui ne réalisent pas la photosynthèse. 

Ces voies de transformations chimiques sont interconnectées, un grand nombre de molécules viennent en interaction entre le chloroplaste et la mitochondrie.

Photosynthèse

Les organismes autotrophes au carbone réalisent la photosynthèse. Elle se déroule à l’échelle de la cellule (à l’intérieur de celle-ci), au sein d’un organite de couleur verte qui s’appelle le chloroplaste. C’est un organite qui mesure entre 1 à 10 µm, observable en microscopie optique sans coloration.

 

I. À l’échelle de l’organite (chloroplaste)

 

À l’échelle de cet organite, la photosynthèse repose sur l’apport d’énergie lumineuse qui permet l’assimilation du carbone minéral (CO2) en carbone organique (sucre, glucose).

L’équation bilan de la photosynthèse est donc : association dioxyde de carbone et eau grâce à l’énergie lumineuse = synthèse de glucose et libération de dioxygène.

6 H2O + 6 CO2 -> C6H12O6 + 6 O2

À l’échelle du chloroplaste, l’énergie lumineuse permet de transformer de l’eau (H2O) en dioxygène (O2). Cette transformation va libérer un pouvoir dit réducteur qui n’est pas au programme. Celui-ci est un intermédiaire réactionnel qui permet de réduire le carbone minéral (CO2) en carbone organique (sucres tels que le glucose ou l’amidon, qui est un polymère de glucose stocké au sein du chloroplaste).

 

II. À l’échelle de l’organisme (plante chlorophyllienne)

 

Si l’on se place à l’échelle de l’organisme, la lumière est captée par les organes foliaires notamment les feuilles vertes qui présentent une grande surface d’échange avec l’environnement. Elles peuvent ainsi capter un grand nombre de photons, l’énergie lumineuse essentielle à cette photosynthèse. Les parties aériennes chlorophylliennes captent également le CO2, présent dans l’atmosphère à une concentration d’à peu près 0,004 ppm. Ce n’est pas très concentré mais suffisant pour être capté au niveau de petits trous qui se trouvent dans la feuille : les stomates.

Cette photosynthèse nécessite aussi de l’eau, captée essentiellement par les racines au niveau du sol. Les racines ont un rôle d’absorption. La solution du sol monte grâce à une sève brute pour se retrouver au niveau des organes chlorophylliens (les feuilles) et va réagir au sein des chloroplastes via l’énergie lumineuse et le CO2 pour donner du sucre. Celui-ci est alors consommé par voie respiratoire, directement au sein des cellules chlorophylliennes. En journée, beaucoup de sucre est fabriqué donc une grosse partie est exportée sous forme de saccharose aux autres organes, dont les racines, où il est consommé mais aussi stocké. Par exemple, les racines de carotte sont sucrées : elles stockent du saccharose.

La photosynthèse synthétise des molécules organiques grâce à l’énergie lumineuse. Elle ne se déroule qu’en pleine journée.